Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

У наш час вироби мікроелектронної промисловості так широко ввійшли в сучасне життя суспільства, що відмова від них відкинула би розвиток цивілізації далеко назад. Ми все більшою мірою залежимо від ефективної роботи різного роду радіоелектронної апаратури (РЕА). Розвиток мікроелектроніки обумовлений постійним ростом ступеня інтеграції й функціональної щільності інтегральних схем (ІС), що у свою чергу, якщо не поліпшуються конструктивно-технологічні основи, приводить до росту виникнення відмов елементної бази РЕА і як наслідок зниженню її надійності. Елементна база сучасних радіоелектронних виробів складається з високоінтегрованних компонентів (інтегральних схем, друкованих плат).

У зв'язку з тим, що розроблювачі компонентів більш високої інтеграції ІС роблять розробку під загальні для ряду підприємств вимоги до РЕА, а розроблювачі РЕА керуються конкретними технічними завданнями, можлива розбіжність вимог до рівня якості компонентів РЕА. Таким чином, у різних організаціях, що випускають ІС, рівень їхньої якості може розрізнятися з вимогами до рівня якості цих компонентів для конкретного виробу РЕА. Основною тенденцією мікроелектроніки останнього років є розширення функціональної складності й підвищення швидкодії ІС. Надійне функціонування РЕА вимагає спеціальних методів і засобів відбраковування потенційно ненадійних компонентів ІС. Проблема діагностичного контролю ускладнюється, оскільки функціонально на один вихідний контакт ИС приходиться ланцюг, що містить тисячі з'єднаних між собою електронних компонентів (ЕК), з яких кожний не випробовують. Тому результат береться сумарний. Контроль й аналіз функціональних операцій при обігу ІС повинні вірогідно характеризувати тривалість їхньої безвідмовної роботи, що дозволить створити не тільки високонадійну РЕА, але й уникнути збитку.



1. Роль прискорених випробувань в визначенні надійності інтегральних схем

1.1 Надійність інтегральних схем

інтегральний відмова інформаційний надійність

Один з основних показників РЕА - надійність - залежить як від надійності використовуваної елементної бази, так і від прийнятих схемотехнічних і конструкторських рішень. З огляду на значимість сучасних апаратур у людській діяльності, вимоги до їх надійності постійно підвищуються. Це пов'язане з тим, що від правильної роботи РЕА залежать хід виконання технологічного процесу, вірогідність одержання результатів вимірів й обробки даних, і т. п. Питанням підвищення надійності РЕА на всіх етапах її проектування й виробництва приділяється найбільша увага.

Надійність, як сполучення властивостей безвідмовності, ремонтоздатності, довговічності й збережуваності, і самі ці якості кількісно характеризуються різними функціями й числовими параметрами. Правильний вибір кількісних показників надійності РЕА дозволяє об'єктивно порівнювати технічні характеристики різних виробів як на етапі проектування, так і на етапі експлуатації (правильний вибір системи елементів, технічні обґрунтування роботи з експлуатації й ремонту РЭА, об'єм необхідного запасного майна й ін.) [1,2].

На сьогоднішній день значну частину eлементно-компонентної бази РЕА становлять цифрові вироби - інтегральні схеми такі як: мікропроцесори, мікроконтролери, аналого-цифрові перетворювачі й т.д. У зв'язку із цим надійність РЕА доцільно зіставити з надійністю цифрових виробів, підданих катастрофічним відмовам.

Залежність інтенсивності відмов від часу роботи ІС має вигляд кривої (називаної іноді «ванною», рис. 1), що характеризується трьома періодами: періодом приробітки (називаного іноді періодом «дитячих» або ранніх відмов), у якому інтенсивність відмов спочатку велика, а потім швидко падає; періодом нормальної роботи, у якому значення інтенсивності відмов постійно, і періодом старіння (приблизно через 25-30 років нормальної роботи), у якому інтенсивність відмов починає спочатку повільно, а потім більш швидко зростати. Однак, дана стадія в ІС тільки передбачається.

Рис. 1 - Типова залежність інтенсивності відмов ІС від часу:

1 - без відбраковочних випробувань; 2 - із проведенням відбраковочних випробувань

Ранні відмови виникають, як правило, внаслідок конструктивних і технологічних недоліків. У нормальних умовах роботи цей період триває до 1000 ч. або приблизно 6 тижнів. На закінчення цього етапу вказує вирівнювання кривої інтенсивності відмов.

Рис. 2 - Залежність періоду нормальної роботи від топологічних норм проектування



Інтенсивність відмов у період приробляння має тенденцію до зменшення в міру вдосконалення конструкції й технології [3]. Однак, відповідно до роботи [4], при зменшенні топологічних норм проектування, різко скорочується період нормальної роботи ІС (рис. 2).

У наш час загальноприйняті два основних напрямки збільшення надійності напівпровідникових виробів (НПВ), що випускають, і ІС:

· усунення причин відмов при виготовленні виробів шляхом вивчення, удосконалення виробничого процесу й підвищення контролю, тобто впливу на процес виробництва за допомогою зворотного зв'язку передачі інформації й створення в остаточному підсумку бездефектної технології;

· виявлення й видалення виробів з відмовами (дійсними й потенційними) з готової партії до поставки споживачеві.

Найбільш ефективним методом підвищення якості й надійності виробів, що випускають, є перший напрямок. Відмови можливі навіть у добре освоєному виробництві. Із цієї причини розповсюдженим способом підвищення якості й надійності випускає партії, ЩО, НП й ІС (а не конкретно кожного виробу) є проведення відбраковувальних випробувань на етапі вихідного контролю цих партій на заводі виготовлювачі. Уважається, що випадкових відмов НПВ не буває, кожна відмова має причину і є наслідком додатка деякого навантаження. «Слабкі» НПВ, які залишилися невиявленими до початку експлуатації, можуть стати причиною відмов РЕА. Для того щоб відбраковувальні випробування були ефективними, потрібно знати, які навантаження і як прискорюють появу відмов. Досвід показує, що впровадження відбраковувальних випробувань істотно підвищує середній рівень їхньої надійності (рис. 1) [5].

Таким чином, для підвищення надійності РЕА необхідне використання двох методів: удосконалення технології й конструкції, а також проведення прискорених випробувань. У свою чергу проведення прискорених випробувань дозволяє виявити відмови ІС пов'язані з конструктивно-технологічними факторами такими як: помилки літографії; дефекти окисла, металізації, контактів; короткі замикання або обриви в провідних шинах а також між полікремнієм і металом; і т.д. Правильно розуміти фізичну природу й сутність відмов дуже важливо для обґрунтованої оцінки надійності технічних пристроїв.

1.2 Причини відмов ІС

На елементи РЕА постійно впливають зовнішні й внутрішні експлуатаційні фактори. До першого ставляться температура, вологість, тиск і хімічний склад навколишнього середовища, радіація, електромагнітні поля, механічні навантаження, що виникають при експлуатації (вібрації, удари) і інші фактори, що впливають на елементи незалежно від того, працюють вони або виключені. До других факторів відносяться напруги й струми сталих перехідних режимів працюючих під навантаженням елементів і виникаючі у зв'язку із цим виділення в елементі тепла, утворення електричних і магнітних полів, механічні навантаження.

Через вплив експлуатаційних факторів у матеріалах елементів протікають різні фізико-хімічні процеси, що змінюють їхні властивості: дифузійні процеси в об'ємі й на поверхні; переміщення й скупчення точкових дефектів і дислокацій у твердих тілах; флуктуаційні розриви міжатомних зв'язків у металах і сплавах; розрив хімічних зв'язків ланцюгів макромолекул полімерних матеріалів; сорбаційні процеси; електролітичні процеси; сублімація матеріалів; дія поверхнево-активних речовин; структурні перетворення в сплавах металів й ін. Швидкість і характер протікання цих процесів визначається концентрацією основних речовин і домішок у матеріалах і рівнями енергетичних впливів на елемент експлуатаційних факторів.

Концентрація проникаючих у матеріали речовин і рівень енергетичних впливів залежать від якості захисту елемента від впливу зовнішніх і внутрішніх експлуатаційних факторів. Зростання інтенсивності їхнього впливу на елемент збільшує швидкість протікання фізико-хімічних процесів, у результаті чого виникають оборотні й необоротні зміни в матеріалах. Таким чином, відмови ІС можна розділити на групи: відмови пов'язані з тепловою енергією й електричною.

Таблиця 1 - Види відмов залежно від прискорювального фактора

Прискорювальний фактор	Вид відмови
Температура	Электроміграція
	Дефекти окисла виявлені температурою
	Обрив сполук внаслідок утворення інтерметалічних сполук
Підвищена напруга	Дефекти окисла виявлені підвищеною напругою
	Часозалежний пробій діелектрика

Виникнення різних фізико-хімічних процесів у матеріалах і швидкість їхнього протікання обумовлені рівнем впливу енергій: механічної, теплової, електричної, хімічної й пов'язані з перетворенням одного виду енергії в іншій. Більшість процесів є термічно активаційними процесами, тобто вони можуть протікати тільки при певному рівні теплової енергії, причому інтенсивність їх збільшується при нагріванні елемента. Тому теплова енергія часто відіграє визначальну роль у розвитку фізико-хімічних процесів у матеріалах елементів. Якщо рівні експлуатаційних навантажень перевищують припустимі для елемента значення, то це приводить до руйнування структури його матеріалів і раптовій відмові. Існує принциповий причинно-наслідковий зв'язок послідовності або ланцюга подій, що приводять до відмов елементів. Так, що впливають на елемент експлуатаційні фактори породжують фізико-хімічні процеси в матеріалах, які приводять до зміни властивостей цих матеріалів. У результаті цього змінюються параметри елемента й, коли хоча б один з них виходить із ладу, наступає відмова. У цьому ланцюзі попередня подія виступає як причина наступної події. Вихідною же причиною відмов, рушійною силою їхні прояви є експлуатаційні фактори [6].

Однак у процесі експлуатації спостерігається кореляція відмов пов'язаних з тепловою й електричною енергіями, тому вивчення механізмів відмов необхідно для розуміння впливу цих енергій на той або інший вид відмови.

1.3 Механізми відмов ІС

Домінуючі механізми відмов у мікроелектронних пристроях заснованих на кремнії, які найбільше часто зустрічаються - це електроміграції (Electromigration (EM)), часовий діелектричний пробій (Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB)), температурна нестабільність напруги зворотного зсуву (Negative Bias Temperature Instability (NBTI)) і інжекція гарячих носіїв (Hot Carrier Injection (HCI)). Інші моделі деградації дійсно існують, але є менш розповсюдженими. Зазначені механізми головним чином можна класифікувати як стаціонарні (статистичні, постійні) види відмов (EM й TDDB) і відмови по зношуванню (NBTI й HCI) [7].

Електроміграція може привести до відмови міжзєднань в ІС. Вона характеризується міграцією атомів металу в провіднику в напрямку потоку електронів. Електроміграція викликає порожнечі або лунки в деяких ділянках провідника й відповідні горбки в інших його частинах рис. 3 [8-9, 10].

Рис. 3 - Електроміграції



Часовий діелектричний пробій спостерігається у вигляді формування струмопровідних доріжок через підзатворний окисел до підкладки, за рахунок потоку туннельованих електронів. Якщо тунельний струм достатній, це може привести до непереборного ушкодження окислу й навколишнього матеріалу. Це ушкодження може привести до зниження продуктивності й можливій відмові пристрою. Якщо тунельний струм залишається дуже низьким, це збільшує електричне поле, для включення затвора й утрудняє його функціональні можливості. Хоча основні напруги скоротилися зі зменшенням розмірів елемента, напруга живлення залишилася незмінною. Ці посилені поля доставляють ще більше проблем, тому що високі поля підсилюють дії TDDB [10, 11].

Діелектричний пробій викликається струмами витоку через мікроскопічні й макроскопічні дефекти в окислі. Розрізняють власний (intrinsic) пробій, обумовлений стійкістю зробленого окислу, і привнесений (extrinsic) пробій, що залежить від випадкової наявності схованих технологічних дефектів (порошина, мікротріщина й т. п.) і слабких місць. Максимальне значення напруженості електричного поля в окислі Si2 становить (~ 10⁷ В/см). Реальні робочі електричні режими роботи приладів відповідають приблизно половині максимального (~5Ч10⁶ В/см). У процесі функціонування приладу в окислі проходять процеси деградації, що приводять зрештою до пробою при напругах, істотно менших максимальних. Час життя (термін служби) окисла стосовно TDDB сильно залежить від електричного поля в окислі й робочій температурі (рис. 4).



Рис. 4 - Залежність терміну служби окисла від електричного поля

Для того щоб пророкувати довгострокове поводження окисла при відносно низьких затворних напругах, проводяться прискорені випробування при високих затворних зсувах, і іноді - при підвищених температурах. Адекватність таких випробувань дотепер повною мірою не встановлена, як і нез'ясованим до кінця залишається питання про мікроскопічний механізм тимчасового пробою. Ясно тільки, що пробій розвивається в результаті довгострокових процесів «зношування» (wearout) окисла в умовах електричного навантаження, які, можливо, варто відокремлювати від процесів старіння (aging), що відбуваються просто при тривалому зберіганні. Зношування є кумулятивним процесом і корелює з повним зарядом, що протікає через окисел за час електричного навантаження. Зокрема, статистична залежність частки зразків, що відмовили, у партії як функція повного заряду, що пройшов через окисел, визначається розподілом Вейбулла. Вважається, що процеси зношування при електричному навантаженні виражаються в нагромадженні якихось дефектів, швидкість утворення яких визначається або електричним полем (Е-модели), або струмом, що протікає через окисел (1/Е - моделі) [17].

Температурна нестабільність напруги зворотного зсуву виникає тільки в pMOSприладах, у яких спостерігається підвищена температура із за прикладеної напруги зворотного зсуву на затвор. Деградація відбувається в області підзатворного діелектрика, дозволяючи електронам і діркам бути пійманими в пастку. Зворотний зсув управляється меншим електричним полем, чим інжекція гарячих носіїв, що робить її більше істотною погрозою в технологіях з малими розмірами елементів, у яких збільшення електричних полів використають у сполученні з меншими довжинами затвора. Область впливу пасток утворених NBTI виявляється більш виражена в більш тонких окислах [12-13; 10].

Ефект NBTI проявляється тоді, коли в процесі роботи ІС pмоп транзистор повністю відкривається й відбувається зарядка навантажувальної ємності. Тому що при цьому транзистор зміщений негативною напругою затвор-джерело, ефект одержав назву «температурна нестабільність при негативному зсуві».

Ефект HCI проявляється тільки в моменти перемикання, тоді як NBTI впливає на схему значно довше - поки на затвор pмоп транзистора не буде поданий замикаючий сигнал. При цьому схема перебуває в статичному стані, і ніяких перемикань не відбувається. NBTI в основному впливає на pмоп транзистори, як правило приводячи до зміни їхньої граничної напруги (Vth) приблизно на 50 мв за 10-літній термін служби, тобто приблизно на 25-30%.

Коли на затвор pМОП транзистора поданий зворотний зсув (Vgs = - Vdd), на границі підзатворного окислу й каналу відбувається розпад зв'язків Si-H, що спричиняє генерацію поверхневих пасток. Швидкість генерації таких пасток зростає з ростом температури, а також при збільшенні часу знаходження транзистора в режимі зворотного зсуву. Поверхневі пастки приводять до росту граничної напруги (|Vth|) pмоп транзисторів. Це, у свою чергу, приводить до збільшення затримки схеми, і, коли деградація затримки досягає певної межі, схема перестає задовольняти тимчасовим обмеженням. У цілому, на частку NBTI приходить близько 20% погіршення швидкодії й, у гірших випадках, функціональних збоїв у роботі схеми. Однак експериментально доведено, що коли транзистор закривається, кількість поверхневих пасток починає скорочуватися. Отже, вплив NBTI на pмоп транзистор залежить від часу, проведеного їм у режимі перенапруги [22].

Інжекція гарячих носіїв виникає як в nMOS так й в pMOS пристроях підданих напрузі зсуву на стоці. Високі електричні поля збуджують носії (електрони або дірки), які інжекцюют (проникають) в область підзатворного діелектрика (рис. 5). Як й у випадку NBTI, ослаблений підзатворний діелектрик може з більшою ймовірністю захопити електрони або дірки, викликаючи зміни в граничній напрузі, що у свою чергу приводить до зміни в субпорового струму витоку. Імовірність HCI збільшується зі збільшенням напруги зсуву і є переважним механізмом при більш низьких температурах напруги [14, 10]. Тому, ушкодження від гарячих носіїв, у відмінності від інших механізмів відмови, не буде прискорено випробуваннями на термін служби при підвищених температурах (High Temperature Operating Life (HTOL)), які звичайно використають для форсування випробувань на довговічність [15].

Рис. 5 - Інжекція гарячих носіїв



На рис. 6 показаний комбінований графік інтенсивності відмов для пристроїв мікропроцесорного типу. Цей графік показує, що для інтенсивності відмов істотна залежність від топологічних норм. Пристрої мікропроцесорного типу яскравий приклад цієї тенденції, тому що електричні й термічні умови цих частин відповідають кожній технології.

Рис. 6 - Інтенсивність відмов для пристроїв мікропроцесорного типу

У міру розвитку технологія переходить до менших розмірів елементів, при цьому напруга оперативного струму пристроїв не зменшується пропорційно товщині підзатворного діелектрика, що приводить до більше високого електричного поля; крім того, збільшення щільності транзисторів на чипі, викликає більшу потужність розсіювання й у свою чергу збільшує робочу температуру за допомогою самонагрівання. Менші по розмірі й найбільш швидкі схеми мають підвищену щільність струму, низькою стійкістю до напруги й високому електричному полю, що робить їх більше уразливими до відмов пов'язаним з електрикою. Нові пристрої з новим проектними нормами й матеріалами вимагають, щоб аналіз відмов знайшов нові моделі для окремих механізмів відмов, а також можливість взаємодії між ними. [16].



1.4 Прискорені випробування ІС

У наш час для визначення часу настання періоду старіння ІС, тобто їхньої довговічності, залишається практично єдиний спосіб - проведення прискорених випробувань, при яких ІС працюють в умовах більше високих навантажень, чим при нормальній експлуатації. Результати, отримані при підвищених навантаженнях, екстраполюють на нормальні умови експлуатації. Ціль прискорених випробувань ІС на довговічність полягає в тім, щоб старіння прискорилося, а процес деградації параметрів відбувався так само, як і при нормальній роботі схеми [3].

Відомо, що відмови можливі навіть у добре освоєному виробництві. Із цієї причини розповсюдженим способом підвищення якості й надійності випускає партии, ЩО, НПВ й ІС (а не конкретно кожного виробу) є проведення відбраковувальних випробувань на етапі вихідного контролю цих партій на заводі-виготовлювачі[5].

Можливі чотири типи процедур контролю якості НПВ на вхідному контролі:

· проведення 100% випробуванн виробів, електротермовибробування (ЕТВ), для виявлення й відбраковування «відмов початкового періоду наробітку», використання виробів, що витримали успішно таку приробітку;

· проведення 100% приробляння виробів (в обох випадках вона проводиться при повнім навантаженні й підвищеній температурі навколишнього середовища) і після її - додаткових вибіркових випробувань від партії на термін служби або випробувань при підвищеній температурі (85°С) і підвищеної відносної вологості (85%);

· проведення тільки вибіркових випробувань із метою оцінки придатності партії виробів методами прискорених випробувань;

· проведення випробувань у більш мяких умовах, чим вибіркові випробування, але разом з тим повніше, у більше близькі до реальних умов експлуатації, чим при випробуваннях виробів по ТУ [18].

Спрацьовування механізмів відмов ІС у більшості випадків прискорюється під впливом температури й напруги або струму, тому в процесі випробування ІС повинні працювати при максимально допустимому напруженні й максимально можливій температурі.

ЕТВ є ефективним засобом прискорення спрацьовування експлуатаційних механізмів відмов. Вона дає багато інформації за короткий час, але достовірні результати можна одержати на основі правильного вибору електричних і теплових навантажень, виявлення видів і механізмів відмов, що відповідають початковим умовам експлуатації, а також статистичної обробки отриманих результатів.

У реальних умовах експлуатації ІС найчастіше працюють періодично, тобто піддаються раптовому включенню електричного режиму, а потім раптовому його вимиканню. Замічено, що найчастіше ІС надійно працюють у постійно включеному режимі, але їхня надійність падає залежно від того, як часто режим включається й вимикається. Тому в останні роки став широко використатися при електровипробуваннях переривчастий режим, тобто циклічна зміна електричних впливів «включене / виключено» - режим енергоциклююванняя [19].

У виробничій практиці довговічність ІС визначають за результатами статичної або динамічної ЕТВ, що дозволяє виявляти відмови ІС із різною енергією активації. Найбільше поширення одержали два варіанти, а саме:

· при граничних електричних навантаженнях (звичайно 30% від номінального) і граничній температурі (125-150°С), при допущенні кореляції з результатами експлуатації при температурі 55°С, при часі випробувань у цілому не більше 1000 ч. (у закордонній абревіатурі HTOL - High Temperature Operating Life Test, метод 1005, 1006 по MIL-STD 883C);

· при температурах, фізично припустимих конструкцією ІС (200-300°С), тривалістю 48-100 ч. і більше (максимально 1000 або 4000 ч.).

До першого варіанта випробувань можна віднести всі види ЕТВ [3].

1.5 Розрахунок надійності ІС

Уроботах [16; 20] показано, що JDEC (Joint Experimental development of Electronic Components) стандарт номер 47D «Stress-Test-Driven Qualification of Integrated Circuits», визначає типовий спосіб прискорених випробувань, заснований на випробуванні терміну служби при підвищених температурах (HTOL випробуваннях). Тривалість випробувань 1000 годин при температурі +125°C. Заявлене призначення HTOL тестування - імітація роботи пристрою при підвищених температурах і напругах, вище чим номінальні робочі напруги для забезпечення достатнього прискорення імітації багатьох років експлуатації при температурі навколишнього середовища (типово +55°C). Дані отримані з HTOL випробувань традиційно переводять на більше низьку температуру використовуючи прискорювальну температурну модель Арреніуса:

Де:

Ea - енергія активації в електронвольтах (еВ);

K - постійна Больцмана (8.62Ч10^-5 еВ/ДО);

Ttest - абсолютна температура випробування (K);

TField - абсолютна температура системи (ДО);

ЛTest - інтенсивність відмов при температурі тестування;

ЛField - інтенсивність відмов при температурі реальних умов експлуатації;

Таким чином, при прогнозуванні інтенсивності відмов використовуючи результати HTOL випробувань, необхідно знати Ea й TField. Енергія активації - параметр який використають, щоб виразити ступінь прискорення, пов'язану з температурою. Окремі механізми відмов супроводжуються унікальним значенням енергії активації (JEDEC публікація №122B.). Проте, традиційні методи використають енергію активації 0.7 ев, її прийнято вважати середньою енергією активації для механізмів відмов, які відбувається під час терміну служби пристроїв. Цей термін служби лежить за межами відмов під час приробляння. У промисловості широко використають це значення енергії активації в наступних двох випадках:

1. При оцінці загальної інтенсивності відмов, не зосереджуючи на окремих механізмах відмов. Передбачається постійне значення відносно комбінації енергій активації окремих механізмів.

2. Коли механізми відмови невідомі.

Ціль HTOL полягає в тому, щоб одержати максимально можливе прискорення, щоб одержати максимальний еквівалентний час роботи, з нульовими відмовами. Прийняття більше високих енергій активації буде служити цієї мети, але зменшить верхню межу інтенсивності відмов. Наприклад, прийняття енергії активації 1.0 еВ замість 0.7 еВ піднімає прискорювальний фактор до 504 замість 78 (в 6.5 разів більше). З іншої сторони інтенсивність відмов зменшиться від 51 FIT до 8 FIT, які ще більш оптимістичні див. таблицю 2.

Обмеження безлічі механізмів відмов: в ідеалі, але не реально, повний розподіл терміну служби ІС розглядати під фіксованим набором прискорювальних умов для того щоб зробити впевнений висновок про надійність. Одні прискорювальні випробування, такі як HTOL, не можуть стимулювати всі основні механізми відмов (такі як HCI), і прискорювальний фактор, отриманий від деяких з них, незначний. Якщо HTOL випробування виконані при довільній напрузі й температурі для прискорення заснованого тільки на одному механізмі відмови, тоді тільки цей механізм буде розумно прискорений. У цьому випадку, що справедливий для більшості пристроїв, звіт про інтенсивність відмов FIT (особливо заснований на нульових відмовах), буде безглуздий стосовно інших механізмів відмов.

Таблиця 2 - Порівняння методів розрахунку інтенсивності відмов

Part Number	Field Failure Rate	Predicted Failure Rate	HTOL Failure Rate (0.7 e Act. Energy)	HTOL Failure Rate (1.0 e Act. Energy)
MT16LSDF3264HG	689	730	51	8
M470L6524DU0	415	418	51	8
HYMD512M646BFS	821	1012	51	8
MC68HC908SR12CFA	220	249	51	8
RH80536GC0332MSL7EN	144	291	51	8

Таким чином, стандартні HTOL випробування не повинні використатися для прогнозування інтенсивності відмов, тому що вони дають оцінки, які є занадто низькими. Це пов'язано із двома обмеженнями для стандартних HTOL випробувань: безліч механізмів відмов і межа нульових відмов.

Нульові відмови: Факт, що нульові відмови HTOL випробувань обмежують статистичну вірогідність прогнозування інтенсивності відмов. Нульові відмови HTOL випробувань - недостатній показник очікуваної інтенсивності відмов. Щоб одержати статистичну вірогідність, відмови повинні спостерігатися [16].

Фахівці фірми Analog Devices уважають, що 1000 ч. випробувань при 125°С еквівалентно 10 рокам при температурі 55°С.

Далі представлені дані по надійності виробів фірми Analog Devices. Дані взяті із сайту фірми зі звіту по надійності від 12.04.2012 року й представлені у вигляді таблиць результатів розрахунку інтенсивності відмов для різних технологій при різній температурі.

Таблиця 3 - Технологія 0,25 мкм CMOS

T = 55°С
0.25um CMOS Life Test Data Summary
Overall Sample Size	9427
Qty. Fail	0
Equivalent Device Hrs. @ 55 deg C)	1358653213
FIT Rate (60% CL, 55 deg C)	0.67
MTTF (60% CL, 55 deg C)	1482776428
FIT Rate (90% CL, 55 deg C)	1.69
MTTF (90% CL, 55 deg C)	590056898
Calculations assumes 0.7 e Activation Energy
T = 125°С
0.25um CMOS Life Test Data Summary
Overall Sample Size	9427
Qty. Fail	0
Equivalent Device Hrs. @ 125 deg C)	17495239
FIT Rate (60% CL, 125 deg C)	52.37
MTTF (60% CL, 125 deg C)	19093561
FIT Rate (90% CL, 125 deg C)	131.61
MTTF (90% CL, 125 deg C)	7598103
Calculations assumes 0.7 e Activation Energy

Таблиця 4 - Технологія 65 нм CMOS

T = 55°С
65nm CMOS Life Test Data Summary
Overall Sample Size	1246
Qty. Fail	0
Equivalent Device Hrs. @ 55 deg C)	106566850
FIT Rate (60% CL, 55 deg C)	8.6
MTTF (60% CL, 55 deg C)	116302535
FIT Rate (90% CL, 55 deg C)	21.61
MTTF (90% CL, 55 deg C)	46281497
Calculations assumes 0.7 e Activation Energy
T = 125°С
65nm CMOS Life Test Data Summary
Overall Sample Size	1246
Qty. Fail	0
Equivalent Device Hrs. @ 125 deg C)	1372250
FIT Rate (60% CL, 125 deg C)	667.73
MTTF (60% CL, 125 deg C)	1497615
FIT Rate (90% CL, 125 deg C)	1677.96
MTTF (90% CL, 125 deg C)	595962
Calculations assumes 0.7 e Activation Energy

Інтенсивність відмов тут розраховувалася по формулі: Failure Rate = XІ/ (2*N*H*At)

де: XІ - икс квадрат розподіл, значення яке залежить від кількості відмов і довірчих інтервалів; N - кількість тестувальних зразків; H - час випробування; At - прискорювальний фактор (Ea = 0.7 e T = 55°С); 125°C до 55°C, At =77;

Equivalent Device Hrs = N*H*At; MTTF =1/ Failure Rate; FIT = Failure Rate*10^-9

У роботі [21] автор приводить таблицю значень XІ для різних довірчих інтервалів і числа відмов:

Таблиця 3 - Розподіл XІ

CL 60%	CL 90%
Число відмов	Значення XІ	Число відмов	Значення XІ
0	1. 833	0	2.5
1	4. 045	1	7. 779
2	6. 211	2	10. 645
3	8. 351	3	13. 362
4	10. 473	4	15. 987
5	12. 584	5	18. 549
6	14. 685	6	21. 064
7	16. 780	7	23. 542
8	18. 868	8	25. 989
9	20. 951	9	28. 412
10	23. 031	10	30. 813
11	25. 106	11	33. 196
12	27. 179	12	35. 563



Візьмемо однакову кількість зразків (100 штук) виготовлених по різних технологіях, випробуємо їх у плині 1000 годин при температурі 125С. У цьому випадку EDH= 100*1000*77= 77*10⁵. При нульових відмовах

XІ=1.833 (для довірчихінтервалів CL 60%), FR = XІ/2EDH, FIT = FR/10^-9, FR= 1,833 /2*77*10⁵ = 9*10^-9 FIT = 9.

Таблиця 4 - Дані розрахунку інтенсивності відмов для різних технологій

Технологія	Температура	Прискорювальний фактор	XІ	EDH	FIT
0,35 мкм	125 125 125 125 125 125	77 77 77 77 77 77	1,833	77*105	9
0,25 мкм			1,833	77*105	9
0,18 мкм			1,833	77*105	9
0,13 мкм			1,833	77*105	9
90 нм			1,833	77*105	9

Виходячи з розрахунків, інтенсивність відмов в одиницю часу (FIT) не залежить від технології виробництва ІС. Таким чином, можна зробити висновок, що інтенсивність відмов, розрахована по наведеному вище прикладі, залежить тільки від кількості випробуваних зразків, не взяти до уваги розходження в технології виробництва, механізмах відмов, що прискорюють факторах і т.д. Такий розрахунок інтенсивності відмов, носить тільки кількісний характер і не може повною мірою дати оцінку, реальної надійності того або іншого виробу. При визначенні надійності потрібно враховувати як кількість випробуваних зразків, так й їхня складність, а також особливості пов'язані з матеріалами які використаються при їхньому виробництві, технологічні норми, розходження в переважних механізмах відмов, для тих або інших тех. норм, різницю в енергії активації тих або інших відмов, а, отже, і значення прискорювального фактора.

Відповідно до роботи [3] існує безліч різних документів по яких роблять обчислення прискорювального фактора. У кожному документі позначені свої правила визначення констант і температур переходів. Документ NTT procedure передбачає один коефіцієнт прискорення для всіх ІС, американський довідник MIL-HDBK 217 - 25 для різних технологій виготовлення ІС, розділених на 7 категорій. Документ CNET передбачає різні коефіцієнти прискорення для чотирьох типів технологій і задає дві різні константи для герметичних і негерметичних виробів. Процедура фірми Siemens використає ті самі константи для всіх ІС, за винятком перепрограмувальних інтегральних запам'ятовувальних пристроїв. Все це приводить до того, що температурні коефіцієнти прискорення, обчислені по різних методиках для однієї й тієї ж ІС, істотно відрізняються.

Розрахунки показують, що значення коефіцієнтів прискорення для однієї й тієї ж ІС, що працює в тих самих умовах, в однакових корпусах (герметичному або не герметичному), уже при температурах порядку 100°С можуть розрізнятися більш ніж в 100 разів, залежно від того, по якому документі їх розраховують. Ця різниця збільшується при підвищенні температури. Досить істотні й розходження в інтенсивностях відмов однієї й тієї ж ІС при різних температурах, певні по різних документах. Для температури 20°С для негерметичних корпусів вони відрізняються від 8 до 790 ФІТ, а для температури 80°С - від 33 до 5648 ФІТ, тобто більше, ніж на два порядки [3].



2. Розрахунок показників надійності

2.1 Вихідні дані

Таблиця 2.1 - початкові дані для розрахунку надійності ІС

Впливаючі фактори та їх характеристики	Позначення	Значення
Коефіцієнт жорсткості випробувань	kп	0,2
Інтенсивність відмов корпуса, год -1	лк,10-7	0,08
Інтенсивність відмов з`єднання кристал-корпус, год -1	лкк,10-7	0,0045
Інтенсивніть відмов термокомпресійного з`єднання, год -1	лтз,10-7	0,0015
Коефіцієнт впливу площини кристала	д	3
Кількість термокомпресійних з`єднань	n	28
Ступінь інтеграції ІС	-	IV
Співвідношення активних та пасивних елементів ІС	Na/Nп	0,7
Температура	T0C	40
Коефіцієнт навантаження по напрузі	kн	0,8
Інтенсивність відмов пасивних елементів ІС, год -1	лп,10-7	10-5
Коефіцієнт впливу товщини оксиду	в	0,5
Ширина стежки металізації, мкм	w	3-5
Площина електрично різнонавантажених ділянок ІС, мм2	S	4
Коефіцієнті електричного навантаження ділянок ІС	Q	0,05

2.2 Розрахунок інтенсивності відмов ІС

Розрахунок інтенсивності відмов ІС передбачає використання інформації про надійність аналогічних елементів серійно випускаємих ІС, включаючи залежність показників надійності від впливу прискорюючих факторів (температура, електричний режим) і технології виготовлення.

При розрахунку передбачається, що відмова будь-якого елемента призведе до відмови ІС, і для розрахунку інтенсивності відмов ІС () використовується загальна модель виду:

(2.1)



де - коефіцієнт жорсткості випробувань;

- інтенсивність відмов конструктивних елементів;

- інтенсивність відмов елементів кристалу;

- інтенсивність відмов міжелементних з'єднань.

Інтенсивність відмов конструктивних елементів кристала знайдемо за формулою:

(2.2)

де - коефіцієнт, який залежить від площі кристала;

- кількість термокомпресійних з'єднань;

- інтенсивність відмов корпуса;

- інтенсивність відмов з'єднання кристала з основою корпуса;

- інтенсивність відмов термокомпресійного з'єднання.

Отже, підрахуємо згідно з вище згаданими чинниками інтенсивність відмов конструктивних елементів кристала

год^-1.

Розрахунок інтенсивності відмов елементів кристала

На інтенсивність відмов елементів кристала л_ек впливають наступні чинники:

- інтенсивність відмов активних елементів л_а і кількість активних елементів Nа;

- інтенсивність відмов інших елементів в кристалі л_n і їх кількість N_n;

- теплові і електричні режими, що враховується за допомогою коефіцієнта режиму б;

- якість підзатворного діелектрика при використовуванні МДП-транзисторів як активних елементів, що враховується коефіцієнтом в.

Інтенсивність відмов ла визначається ступенем інтеграції ІС, використовуваним активним елементом (МДП- і біполярний транзистор) і особливостями технології виготовлення. Інтенсивність відмов лn залежить від виду структур, використаних для отримання діодів, резисторів, конденсаторів і інших елементів.

Оскільки транзистор на ДІКЕД (діелектрично ізольований кремній електронно-дірковий) структурах, то значення ла та лn обираємо наступними:

л_а= 0.012*10^-7 (год^-1);

л_n= 10^-12 (год^-1).

Коефіцієнт режиму б визначаемо за формулою : б = 1.25.

Коефіцієнт в залежить від вигляду і товщини використовуваного діелектрика: в= 0.5

Отже, підрахуємо згідно з вище згаданими чинниками інтенсивність відмов елементів кристала л_ек:

(2.3)

год^-1.

Розрахунок інтенсивності відмов міжелементних з'єднань

У ІС в загальному випадку можна виділити ділянки металізації, що знаходяться під різним електричним і температурним навантаженням. Позначимо число таких різнонавантажених ділянок - і їх площі S_мi, де i=1, l.

Розрахунок інтенсивності відмов міжелементних з'єднань виконується за формулою:



, (2.4)

де л_м - інтенсивність відмов металізації одиничної площі, для ширини металізованої доріжки 5 мкм:

л_м = 0,08*10^-7 (год^-1);

S_м1 = 4 мм²

г₁ = 0,15 - обрали в залежності від електричного навантаження

Q= 0,05 та температури Т = 40^о С.

Тоді:

л_мз = год^-1.

Тепер знайдемо інтенсивність відмов ІС (л_іс) за формулою 2.1:

год^-1.

2.3 Розрахунок ймовірності безвідмовної роботи при постійній інтенсивності відмов

Під ймовірністю безвідмовної роботи розуміється ймовірність того, що в межах заданого часу напрацювання відмова не виникає. Конкретне чисельне значення ймовірності безвідмовної роботи може бути розраховано тільки для заданого часу напрацювання t, протягом якого можливе виникнення відмови.

Ймовірність відмови можна визначити як F(t)=1-P(t). Для опису ймовірності відмови у момент часу t застосовується густина розподілу ймовірності відмови:

, (2.5)



Використовуючи (3.5), для інтенсивності відмов л(t) можна записати:

, (2.6)

Інтегруючи (3.6), одержимо вираз, що зв'язує ймовірність безвідмовної роботи і інтенсивність відмов:

, (2.7)

Припускаючи інтенсивність відмов постійною величиною, що справедливе, якщо відмови відбуваються внаслідок прихованих дефектів і не пов'язані з процесами старіння, з (3.7) одержимо:

, (2.8)

Одержаний вираз для ймовірності безвідмовної роботи P(t) називається експоненціальним розподілом. При відомому значенні інтенсивності відмов л можна побудувати залежність ймовірності безвідмовної роботи від часу напрацювання. Час напрацювання t задається від 0 до таких значень, при яких P(t) стає близьким до нуля.



Рисунок 2.1 - Залежність ймовірності безвідмовної роботи від часу напрацювання

Рисунок 2.2 - Залежність ймовірності безвідмовної роботи від часу напрацювання у напівлогарифмічних координатах

2.4 Розрахунок середнього і гамма-відсоткового часу напрацювання до відмови при постійній інтенсивності відмов

Середній час напрацюваннями до відмови є математичним очікуванням часу напрацювання до відмови:

(2.9)

і може бути виражено через ймовірність безвідмовної роботи як:

(2.10)

При постійній інтенсивності відмов P(t) підкоряється експоненціальному розподілу і тоді:

=1/л (2.11)

Для знайденого л_іс = 8.852 *10^-9 год^-1:

= 1/(8,852*10^-9) = 1,13*10⁸ (год)

Гамма-відсотковий час напрацювання до відмови t_г визначається як час, протягом якого відмова не виникає з ймовірністю . Значення t_г знаходиться досить просто з рішення рівняння:

(2.12)

Для експоненціального розподілу вираз для t_г отримується:

, (2.13)

Для г= 0,15 знаходимо: t_г = -1/(8,852*10^-9) ln (0,15) = 2,14*10⁸ (год)



Висновки

На сьогоднішній день значну частину элементно-компонентної бази РЕА становлять цифрові вироби інтегральні схеми такі як: мікропроцесори, мікроконтролери, аналого-цифрові перетворювачі й т.д. У зв'язку із цим надійність РЕА доцільно зіставити з надійністю цифрових виробів.

Існує принциповий причинно-наслідковий зв'язок послідовності або ланцюга подій, що приводять до відмов елементів. Так, що впливають на елемент експлуатаційні фактори породжують фізико-хімічні процеси в матеріалах, які приводять до зміни властивостей цих матеріалів. У результаті цього змінюються параметри елемента й наступає відмова. У цьому ланцюзі попередня подія виступає як причина наступної події. Вихідною же причиною відмов, рушійною силою їхні прояви є експлуатаційні фактори.

Домінуючими механізмами відмов у мікроелектронних пристроях заснованих на кремнії, є: електроміграції, часовий діелектричний пробій, температурна нестабільність напруги зворотного зсуву й інжекція гарячих носіїв. Інші моделі деградації дійсно існують, але є менш розповсюдженими.

В практичній частині курсової роботи були вивчені основні механізми відмов інтегральних схем, а також був опанований метод розрахунку основних показників надійності:

-інтенсивість відмови ІС, яка складає: л_іс = год^-1

- гамма-відсотковий час напрацювання до відмови: t_г= 2,14*10⁸ год

- середній час напрацювання до відмови= 1,13*10⁸ год

На основі отриманих результатів побудували графіки залежності інтенсивності відмов від часу напрацювання.



Перелік посилань

1. Ивченко В.Г. Конструирование и технология ЭВМ. Конспект лекций. - /Таганрог: ТГРУ, Кафедра конструирования электронных средств. - 2001.

2. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов. - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 528 с.

3. Строгонов А.В. «Долговечность интегральных схем и производственные методы ее прогнозирования»: http://www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200206/8.html.

4. Mark White, Yuan Chen Jet Propulsion Laboratory Pasadena, California «Scaled CMOS Technology Reliability Users Guide», NASA Electronic Parts and Packaging (NEPP) Program Office of Safety and Mission Assurance, Copyright 2008. California Institute of Technology.

5. М. Горлов, А. Строганов «Отбраковочные испытания как средство повышения надежности партий ИС»: Технологии в электронной промышленности, №1 2006.

6. С.М. Никулин «Надежность Элементов Радиоэлектронной аппаратуры»: Москва «Энергия» 1979.

7. F. Jensen, Fi. Jensen, P. Jensen, «Electronic Component Reliability: Fundamentals, Modeling, Evaluation, and Assurance». England, John Wiley & Sons, 1995.

8. T. Smy, S.S. Winterton, «Simulation and analysis of electromigration failure distributions», ELSEVIER Microelectronics Reliability, vol. 34 No. 6, pp. 1047-1056, 1994.

9. J.M. Huang, W. Yang, Z.J. Zhao «Interconnect damage by electromigration: experiment and numerical simulation», Acta Metallurgica, vol. 47 no. 1, pp. 89-99, Sep. 1998.

10. JEDEC Solid State Technology Association, «Failure mechanisms and models for semiconductor devices», JEP122-B, Aug. 2003.

11. Fen Chen, Rolf-Peter Vollertsen, Baozhen Li, Dave Harmon, Wing L. Lai, «A new empirical extrapolation method for time-dependent dielectric breakdown reliability projections of thin SiO2 and nitride-oxide dielectrics», ELSEVIER Microelectronics Reliability, vol. 42, pp. 335-341, 2002.

12. J.H. Stathis, S. Zafar, «The negative bias temperature instability in MOS devices: A review», ELSEVIER Microelectronics Reliability, vol. 46, pp. 270-286, Sep. 2005. A. Teramoto, R. Kuroda, S. Sugawa, T. Ohmi, «Accurate negative bias temperature instability lifetime prediction based on hole injection», ELSEVIER Microelectronics Reliability, vol. 48, pp. 1649-1654, Aug. 2008.

13. M. Karam, W. Fikry, H. Haddara, H. Ragai, «Implementation of hot-carrier reliability simulation in Eldo», in IEEE Int. Symp. On Circuits and Systems, vol. 5, 2001, pp. 515-518.

14. J.B. Bernstein, M. Gurfinkel, X. Li, J. Walters, Y. Shapira, M. Talmor, «Electronic circuit reliability modeling», ELSEVIER Microelectronics Reliability, 2006, pp. 1957-1979.

15. AVSI project AFE 17 reports.

16. Edward Wyrwas, Lloyd Condra, Avshalom Hava, Accurate «Quantitative Physics-of-Failure Approach to Integrated Circuit Reliability».

17. Зебрев Г.И. «Физические основы кремниевой наноэлектроники»: Учебное пособие. М.: МИФИ, 2008. - 288 с.

18. М. Горлов, А. Строганов, А. Андреев «Входной контроль полупроводниковых изделий»:CHIP NEWS #3 (66), март, 2002.

19. М. Горлов, А. Строганов, Д. Шацких «Технологические тренировки интегральных схем»: Компоненты и Технологии №4 2009.

20. Edward J. Wyrwas and Joseph B. Bernstein «Quantitatively Analyzing the Performance of Integrated Circuits and Their Reliability» IEEE Instrumentation & Measurement Magazine February 2011.

21. В. Романов «Количественная оценка надежности интегральных схем по результатам форсированных испытаний»: Электронные компоненты и системы 2003 октябрь №10 (74).

22. C.В. Гаврилов, О.Н. Гудкова «Логико-временной анализ надежности цифровых СБИС с учетом эффектов деградации NBTI и HCI» Учреждение Российской академии наук Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2008.

Размещено на Allbest.ru